CN102759675A - 一种在线式电能质量监测装置 - Google Patents
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Abstract
一种在线式电能质量监测装置，硬件平台是嵌入式硬件平台，采用包括PowerPC功能单元、FPGA功能单元，以及DSP功能单元的复杂架构，Power PC功能单元与DSP功能单元相互独立，PowerPC功能单元通过FPGA功能单元中内部配置的双口RAM与DSP功能单元进行数据交互。仅增加有限的成本，使现有的普通电能质量装置具备高速瞬变信号捕捉功能。广泛适用于非线性负荷与冲击性负荷，包括瞬变干扰如电网上的设备接通和雷击等问题比较严重的场所在线进行常规电能质量指标参数的监测，并在出现高速电压瞬变的异常事件时，可以自动捕捉并真实完整地记录当时的瞬变信号，为供电线路上的装置和设备的故障分析提供数据支持。
Description
技术领域
本发明涉及电能测量，特别是涉及一种在线式电能质量监测装置。
背景技术
电力系统的非线性负荷与冲击性负荷，包括瞬变干扰如电网上的设备接通和雷击，用户现场同一回路上无功负载的操作等，往往会对连接在该线路上的装置和设备造成严重损害。由于瞬变干扰持续时间远小于20ms的供电周期，且瞬变电压数倍乃至几十倍于电力系统的额定电压，现有的电能质量装置采样速率为128、256点/周波，测量范围窄，即使是采样速率为512点/周波，其瞬变捕捉能力也只能达到80μs左右，因此，往往不能采集到瞬变信号或不能真实完整地记录当时的瞬变信号。如果电能质量装置全程都使用高采样速率，对于诸如电压偏差、频率偏差、谐波、闪变、不平衡等的常规电能质量指标的监测分析既无必要，且其软件实现难度太大，硬件成本也过高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是弥补上述现有技术的缺陷，提供一种在线式电能质量监测装置。
本发明的技术问题通过以下技术方案予以解决。
这种在线式电能质量监测装置，硬件平台包括由PC，以及与所述PC连接的数据存储、通信及人机交互模块组成的PC功能单元。
这种在线式电能质量监测装置的特点是：
所述硬件平台是嵌入式硬件平台，采用包括所述PC功能单元、与所述PC连接的现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，缩略词为FPGA)功能单元，以及与所述FPGA功能单元连接的数字信号处理器(Digital Signal Processor，缩略词为DSP)功能单元的复杂架构，所述PC功能单元是通过增强的RISC性能优化(Performance Optimized WithEnhanced RISC，缩略词为Power)PC功能单元，所述PowerPC功能单元与所述DSP功能单元相互独立，所述PowerPC功能单元通过所述FPGA功能单元中内部配置的双口RAM与所述DSP功能单元进行数据交互，用于对所述DSP功能单元上传的计算结果进行分析统计、管理存储、通信传输、人机交互，以及进行遥控遥信。
本发明的技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决。
所述DSP功能单元包括依次连接的第一低通滤波器、低速模数转换(Analog To Digital Converter，缩略词为A/D)采集模块和DSP信号处理模块，所述第一低通滤波器与信号传感器组连接，用于采集一般性电能质量模拟信号，所述信号传感器组采集电能质量模拟信号，所述电能质量模拟信号包括外部的三相电压、零序电压、三相电流、零序电流和保护地电流共九种模拟信号，通过所述信号传感器衰减成A/D量程范围内的小信号模拟量，并通过模拟放大增益电路放大增益后，分成两路传送至所述低速A/D采集模块的两个不同通道。
所述第一低通滤波器是截止频率为12KHz的低通滤波器。
所述低速A/D采集模块是采样频率为25.6KHz的双六通道高精度16bitA/D芯片的低速A/D采集模块。
所述DSP信号处理模块用于对输入到所述低速A/D采集模块的两个不同通道的采集数据进行快速的电能质量算法分解、计算，包括计算捕捉超过15倍额定的冲击电流，以及记录电能质量暂态事件如暂升暂降、突变的原始波形，所述DSP信号处理模块还通过乒乓的方式从先入先出队列(First Input First Output，缩略词为FIFO)里面转移数据至外围的SDRAM中缓存。
所述FPGA功能单元包括频率跟踪模块、依次连接的第二低通滤波器、高速A/D瞬变捕捉模块，以及分别与所述频率跟踪模块、所述高速A/D瞬变捕捉模块连接的FPGA，所述频率跟踪模块还与所述低速A/D采集模块连接。
所述频率跟踪模块是采用基于FPGA的数字化频率跟踪采样技术的频率跟踪模块，用于对电网的系统频率进行实时跟踪，并进行512倍频，以控制所述低速A/D采集模块进行512点/周波的采样。
所述第二低通滤波器是截止频率为1MHz的低通滤波器，用于高速A/D采样前的抗混叠滤波。
所述高速A/D瞬变捕捉模块是采用采样频率为2MHz的可编程、多通道、低功耗、内置FIFO的12bit并行高速A/D转换芯片的高速A/D瞬变捕捉模块，捕捉电压瞬变信号最高频率为1MHz、峰值为1500V。
所述FPGA在所述DSP信号处理模块进行512点/周波的电能质量采样分析的同时，控制高速A/D瞬变捕捉模块进行采样速率为2M/秒的高速采样、以及对电压瞬变的捕捉、计算与判断，通过FIFO与所述DSP功能单元中的DSP信号处理模块进行数据传输。
当外部发生频率为1MHz以下的瞬变电压事件时，含瞬变的三相原始电压信号经过电压传感器衰减成AD量程范围内的小信号，然后分成两路，一路经过第一低通滤波器，滤除12KHz以上的高频瞬变信号后，进入低速A/D采集模块进行模数转换，再上传至所述DSP信号处理模块，并由所述DSP信号处理模块对采集后信号进行常规电能质量参数运算分析，所述常规电能质量参数包括电压偏差、频率偏差、谐波、闪变、不平衡度，所述运算分析包括幅值计算、快速傅里叶变换分解、闪变计算；另一路经过第二低通滤波器，仍旧保留1MHz的高频瞬变信号，进入高速A/D瞬变捕捉模块进行模数转换，由所述FPGA控制采样，计算信号幅值，并判断、记录瞬变电压采样信号的幅值是否超出瞬变电压的限值，一旦超过设定限值，立即发中断信号，通过内部FIFO即时上传至所述DSP信号处理模块将该时刻前后的原始信号波形数据提取记录并由所述Power PC进行存储。
本发明的技术问题通过以下再进一步的技术方案予以解决。
所述信号传感器，包括转换比为5A/5mA的电流传感器和电压转换比为600V/1V的电压传感器，将采集的大模拟信号，转换为AD量程范围内的小模拟信号。
所述FPGA功能单元还包括外部靶场仪器组(Inter RangeInstrumentation Group，缩略词为IRIG)-B对时接口，与外部GPS校时装置连接，用于对装置进行校时，兼容对差分信号、晶体管-晶体管逻辑(Transistor-Transistor Logic，缩略词为TTL)电平信号接入及对时。
所述FPGA功能单元还包括数字量输入(Digital Input，缩略词为DI)模块和继电器控制数字量输出(Digital Output，缩略词为DO)模块，所述DI模块用于收集现场的一些设备的状态信号量，实时监控其状态信息；所述DO模块用于切断外部相关联的负载，以及提供报警出口。
所述FPGA是采用美国Lattice半导体公司的LFXP2系列的FPGA逻辑器件。
所述Power PC是采用MPC831x系列32bit浮点处理器的RISC架构的CPU，其基本的设计源自美国IBM公司的Power架构，所述Power PC通过装入指令和存储指令从内存检索数据，在寄存器中对数据进行操作后将数据存储回内存。
所述Power PC对所述DSP功能单元上传的保存在内存中的常规电能质量参数数据进行分析统计、管理存储，包括定时记录，统计一段时间间隔内的最大值、最小值、平均值、95概率大值。
所述Power PC的定时记录，是对所述DSP功能单元上传的计算结果的波形存储成COMTRADE格式文件，并每隔2小时进行一次完整的电能质量数据的记录，以PQDIF格式文件进行存储在外围的掉电亦不会丢失数据信息的容量为16GB的CF存储卡上，完成数据的最后存储。
所述数据存储、通信及人机交互模块，包括双10/100M自适应以太网口、双RS-485口和USB口，用于将数据结果按照规约进行传输，并通过USB口导出数据结果。
所述数据存储、通信及人机交互模块，还包括高达16GB的超大容量存储器，用于对DSP功能单元计算得到的数据结果进行大容量存储。
所述数据存储、通信及人机交互模块，还包括5.7英寸的640×480的彩屏液晶显示及8路信号指示灯，用于对DSP功能单元计算得到的数据结果进行人机交互显示，完成基本参数的输入设置，将数据结果传输、呈现给用户，以及进行遥控遥信。当外部有诸如电压偏差越限、频率偏差越限的常规电能质量事件发生时，Power PC点亮相应的信号指示灯，以及通过所述DO模块中的继电器输出告警信号，通知用户发生越限的常规电能质量事件。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明仅增加有限的成本，使现有的普通电能质量装置具备高速瞬变信号捕捉功能，采样速率高达2M/秒，最高可以捕捉频率为1MHz、峰值为1.5KV的电压瞬变信号。广泛适用于非线性负荷与冲击性负荷，包括瞬变干扰如电网上的设备接通和雷击等问题比较严重的场所在线进行常规电能质量指标参数的监测，并在出现高速电压瞬变的异常事件时，可以自动捕捉并真实完整地记录当时的瞬变信号，为供电线路上的装置和设备的故障分析提供数据支持。
附图说明
附图为本发明具体实施方式的组成方框图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式并对照附图对本发明进行说明。
一种如附图所示的用于捕捉高速电压瞬变的在线式电能质量监测装置，硬件平台是嵌入式硬件平台，采用包括Power PC功能单元、FPGA功能单元，以及DSP功能单元的复杂架构，Power PC功能单元与DSP功能单元相互独立，Power PC功能单元通过FPGA功能单元中内部配置的双口RAM与DSP功能单元进行数据交互，用于对所述DSP功能单元上传的计算结果进行分析统计、管理存储、通信传输、人机交互，以及进行遥控遥信。
DSP功能单元包括依次连接的截止频率为12KHz的第一低通滤波器、采样频率为25.6KHz的双六通道高精度16bit A/D芯片的低速A/D采集模块和DSP信号处理模块，第一低通滤波器与信号传感器组连接，用于采集一般性电能质量模拟信号，信号传感器组采集电能质量模拟信号，电能质量模拟信号包括外部的三相电压、零序电压、三相电流、零序电流和保护地电流共九种模拟信号，通过信号传感器衰减成A/D量程范围内的小信号模拟量，并通过模拟放大增益电路放大增益后，分成两路传送至低速A/D采集模块的两个不同通道。DSP信号处理模块用于对输入到低速A/D采集模块的两个不同通道的采集数据进行快速的电能质量算法分解、计算，包括计算捕捉超过15倍额定的冲击电流，以及记录电能质量暂态事件如暂升暂降、突变的原始波形，DSP信号处理模块还通过乒乓的方式从FIFO里面转移数据至外围的SDRAM中缓存。
FPGA功能单元包括采用基于FPGA的数字化频率跟踪采样技术的频率跟踪模块、依次连接的截止频率为1MHz的第二低通滤波器、采用采样频率为2MHz的可编程、多通道、低功耗、内置FIFO的12bit并行高速A/D瞬变捕捉模块，以及分别与频率跟踪模块、高速A/D瞬变捕捉模块连接的LFXP2系列的FPGA，频率跟踪模块还与低速A/D采集模块连接。
频率跟踪模块用于对电网的系统频率进行实时跟踪，并进行512倍频，以控制所述低速A/D采集模块进行512点/周波的采样；第二低通滤波器用于高速A/D采样前的抗混叠滤波；高速A/D瞬变捕捉模块捕捉电压瞬变信号最高频率为1MHz、峰值为1500V。
FPGA在DSP信号处理模块进行512点/周波的电能质量采样分析的同时，控制高速A/D瞬变捕捉模块进行采样速率为2M/秒的高速采样、以及对电压瞬变的捕捉、计算与判断，通过FIFO与DSP功能单元中的DSP信号处理模块进行数据传输。
当外部发生频率为1MHz以下的瞬变电压事件时，含瞬变的三相原始电压信号经过电压传感器衰减成AD量程范围内的小信号，然后分成两路，一路经过第一低通滤波器，滤除12KHz以上的高频瞬变信号后，进入低速A/D采集模块进行模数转换，再上传至DSP信号处理模块，并由DSP信号处理模块对采集后信号进行常规电能质量参数运算分析，常规电能质量参数包括电压偏差、频率偏差、谐波、闪变、不平衡度，运算分析包括幅值计算、快速傅里叶变换分解、闪变计算；另一路经过第二低通滤波器，仍旧保留1MHz的高频瞬变信号，进入高速A/D瞬变捕捉模块进行模数转换，由FPGA控制采样，计算信号幅值，并判断、记录瞬变电压采样信号的幅值是否超出瞬变电压的限值，一旦超过设定限值，立即发中断信号，通过内部FIFO即时上传至DSP信号处理模块将该时刻前后的原始信号波形数据提取记录并由Power PC进行存储。
信号传感器包括转换比为5A/5mA的电流传感器和电压转换比为600V/1V的电压传感器，将采集的大模拟信号，转换为AD量程范围内的小模拟信号。
FPGA功能单元还包括IRIG-B对时接口，与外部GPS校时装置连接，用于对装置进行校时，兼容对差分信号、TTL电平信号接入及对时。
FPGA功能单元还包括数字量输入DI模块和继电器控制数字量输出DO模块，DI模块用于收集现场的一些设备的状态信号量，实时监控其状态信息；DO模块用于切断外部相关联的负载，以及提供报警出口。
Power PC是采用MPC831x系列32bit浮点处理器的RISC架构的CPU，其基本的设计源自美国IBM公司的Power架构，Power PC通过装入指令和存储指令从内存检索数据，在寄存器中对数据进行操作后将数据存储回内存。
Power PC对DSP功能单元上传的保存在内存中的常规电能质量参数数据进行分析统计、管理存储，包括定时记录，统计一段时间间隔内的最大值、最小值、平均值、95概率大值。
Power PC的定时记录，是对DSP功能单元上传的计算结果的波形存储成COMTRADE格式文件，并每隔2小时进行一次完整的电能质量数据的记录，以PQDIF格式文件进行存储在外围的掉电亦不会丢失数据信息的容量为16GB的CF存储卡上，完成数据的最后存储。
数据存储、通信及人机交互模块，包括双10/100M自适应以太网口、双RS-485口和USB口，用于将数据结果按照规约进行传输，并通过USB口导出数据结果。
数据存储、通信及人机交互模块，还包括高达16GB的超大容量存储器，用于对DSP功能单元计算得到的数据结果进行大容量存储。
数据存储、通信及人机交互模块，还包括5.7英寸的640×480的彩屏液晶显示及8路信号指示灯，用于对DSP功能单元计算得到的数据结果进行人机交互显示，完成基本参数的输入设置，将数据结果传输、呈现给用户，以及进行遥控遥信。当外部有诸如电压偏差越限、频率偏差越限的常规电能质量事件发生时，PowerPC点亮相应的信号指示灯，以及通过DO模块中的继电器输出告警信号，通知用户发生越限的常规电能质量事件。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。
Claims (10)
1.一种在线式电能质量监测装置，硬件平台包括由PC，以及与所述PC连接的数据存储、通信及人机交互模块组成的PC功能单元，其特征在于：
所述硬件平台是嵌入式硬件平台，采用包括所述PC功能单元、与所述PC连接的现场可编程门阵列FPGA功能单元，以及与所述FPGA功能单元连接的数字信号处理器DSP功能单元的复杂架构，所述PC功能单元是通过增强的RISC性能优化Power PC功能单元，所述Power PC功能单元与所述DSP功能单元相互独立，所述PowerPC功能单元通过所述FPGA功能单元中内部配置的双口RAM与所述DSP功能单元进行数据交互，用于对所述DSP功能单元上传的计算结果进行分析统计、管理存储、通信传输、人机交互，以及进行遥控遥信。
2.如权利要求1所述的在线式电能质量监测装置，其特征在于：
所述DSP功能单元包括依次连接的第一低通滤波器、低速模数转换A/D采集模块和DSP信号处理模块，所述第一低通滤波器与信号传感器组连接，用于采集一般性电能质量模拟信号，所述信号传感器组采集电能质量模拟信号，所述电能质量模拟信号包括外部的三相电压、零序电压、三相电流、零序电流和保护地电流共九种模拟信号，通过所述信号传感器衰减成A/D量程范围内的小信号模拟量，并通过模拟放大增益电路放大增益后，分成两路传送至所述低速A/D采集模块的两个不同通道；
所述第一低通滤波器是截止频率为12KHz的低通滤波器；
所述低速A/D采集模块是采样频率为25.6KHz的双六通道高精度16bit A/D芯片的低速A/D采集模块。
3.如权利要求1或2所述的在线式电能质量监测装置，其特征在于：
所述FPGA功能单元包括频率跟踪模块、依次连接的第二低通滤波器、高速A/D瞬变捕捉模块，以及分别与所述频率跟踪模块、所述高速A/D瞬变捕捉模块连接的FPGA，所述频率跟踪模块还与所述低速A/D采集模块连接；
所述频率跟踪模块是采用基于FPGA的数字化频率跟踪采样技术的频率跟踪模块；
所述第二低通滤波器是截止频率为1MHz的低通滤波器，用于高速A/D采样前的抗混叠滤波；
所述高速A/D瞬变捕捉模块是采用采样频率为2MHz的可编程、多通道、低功耗、内置先入先出队列FIFO的12bit并行高速A/D转换芯片的高速A/D瞬变捕捉模块，捕捉电压瞬变信号最高频率为1MHz、峰值为1500V。
4.如权利要求3所述的在线式电能质量监测装置，其特征在于：
所述FPGA在所述DSP信号处理模块进行512点/周波的电能质量采样分析的同时，控制高速A/D瞬变捕捉模块进行采样速率为2M/秒的高速采样、以及对电压瞬变的捕捉、计算与判断，通过FIFO与所述DSP功能单元中的DSP信号处理模块进行数据传输；
当外部发生频率为1MHz以下的瞬变电压事件时，含瞬变的三相原始电压信号经过电压传感器衰减成AD量程范围内的小信号，然后分成两路，一路经过第一低通滤波器，滤除12KHz以上的高频瞬变信号后，进入低速A/D采集模块进行模数转换，再上传至所述DSP信号处理模块，并由所述DSP信号处理模块对采集后信号进行常规电能质量参数运算分析，所述常规电能质量参数包括电压偏差、频率偏差、谐波、闪变、不平衡度，所述运算分析包括幅值计算、快速傅里叶变换分解、闪变计算；另一路经过第二低通滤波器，仍旧保留1MHz的高频瞬变信号，进入高速A/D瞬变捕捉模块进行模数转换，由所述FPGA控制采样，计算信号幅值，并判断、记录瞬变电压采样信号的幅值是否超出瞬变电压的限值，一旦超过设定限值，立即发中断信号，通过内部FIFO即时上传至所述DSP信号处理模块将该时刻前后的原始信号波形数据提取记录并由所述PowerPC进行存储。
5.如权利要求4所述的在线式电能质量监测装置，其特征在于：
所述信号传感器，包括转换比为5A/5mA的电流传感器和电压转换比为600V/1V的电压传感器，将采集的大模拟信号，转换为AD量程范围内的小模拟信号。
6.如权利要求5所述的在线式电能质量监测装置，其特征在于：
所述FPGA功能单元还包括外部靶场仪器组IRIG-B对时接口，与外部GPS校时装置连接，用于对装置进行校时，兼容对差分信号、晶体管-晶体管逻辑TTL电平信号接入及对时；
所述FPGA功能单元还包括数字量输入DI模块和继电器控制数字量输出DO模块，所述DI模块，用于收集现场的一些设备的状态信号量，实时监控其状态信息；所述DO模块，用于切断外部相关联的负载，以及提供报警出口。
7.如权利要求6所述的在线式电能质量监测装置，其特征在于：
所述FPGA是采用美国Lattice半导体公司的LFXP2系列的FPGA逻辑器件。
8.如权利要求7所述的在线式电能质量监测装置，其特征在于：
所述Power PC是采用MPC831x系列32bit浮点处理器的RISC架构的CPU，其基本的设计源自美国IBM公司的Power架构，所述Power PC通过装入指令和存储指令从内存检索数据，在寄存器中对数据进行操作后将数据存储回内存。
9.如权利要求8所述的在线式电能质量监测装置，其特征在于：
所述Power PC对所述DSP功能单元上传的保存在内存中的常规电能质量参数数据进行分析统计、管理存储，包括定时记录，统计一段时间间隔内的最大值、最小值、平均值、95概率大值；
所述Power PC的定时记录，是对所述DSP功能单元上传的计算结果的波形存储成COMTRADE格式文件，并每隔2小时进行一次完整的电能质量数据的记录，以PQDIF格式文件进行存储在外围的掉电亦不会丢失数据信息的容量为16GB的CF存储卡上，完成数据的最后存储。
10.如权利要求9所述的在线式电能质量监测装置，其特征在于：
所述数据存储、通信及人机交互模块，包括双10/100M自适应以太网口、双RS-485口和USB口，用于将数据结果按照规约进行传输，并通过USB口导出数据结果；
所述数据存储、通信及人机交互模块，还包括高达16GB的超大容量存储器，用于对DSP功能单元计算得到的数据结果进行大容量存储；
所述数据存储、通信及人机交互模块，还包括5.7英寸的640×480的彩屏液晶显示及8路信号指示灯，用于对DSP功能单元计算得到的数据结果进行人机交互显示，完成基本参数的输入设置，将数据结果传输、呈现给用户，以及进行遥控遥信。当外部有诸如电压偏差越限、频率偏差越限的常规电能质量事件发生时，Power PC点亮相应的信号指示灯，以及通过所述DO模块中的继电器输出告警信号，通知用户有越限事件发生。
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